卡特蓄电池不同风冷电池热管理系统对电池组热性能的影响研究
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卡特蓄电池 发布时间：2026-03-25 09:11:34 点击： 次
引言
探索和发展纯电动汽车(EV)与混合动力汽车(HEV)技术成为降低碳排放、提升能源转换效率的有效途径，这些技术已在全球范围内获得广泛关注[1][2][3]。锂离子电池(LIB)因其高能量密度、长循环寿命及低自放电率等优势，作为重要储能装置被广泛应用于EV和HEV领域[4][5]。然而锂离子电池对温度极为敏感，其性能表现与热安全性在高低温度环境下均会受到限制[6]。为提升电动汽车不同工况下电池单元的使用寿命与热安全性，必须设计有效的电池组热管理系统(BTMS)，将电池单元温度维持在合理区间[7][8]。
一般而言，电池包的热管理技术可分为空冷[9][10][11]、液冷[12][13][14]、相变材料冷却[15][16][17]、制冷剂冷却[18][19]、热管冷却[20][21]以及浸没式冷却[22]等方案。在这些冷却技术中，空冷方案凭借成本较低、结构紧凑、可靠性高及能耗低的优势，已在电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的实际工程应用中广泛采用[23][24]。空冷电池组热性能的影响因素通常包括电池组结构配置（如电芯或电池模块的排列方式、进出风口分布）以及空气冷却剂的流动参数（如空气质量流量和冷却空气入口温度）[25][26]。已有大量研究针对气流配置对电池组流动及冷却性能的影响展开探讨。Zhang等学者[27]通过数值模拟研究了4×9圆柱形电池组在恒定2C放电工况下，采用不同空冷出口配置时的热性能表现。研究表明，进出口布局对电池系统流动与传热特性具有显著影响。Z型气流BTMS的热管理性能明显优于U型气流BTMS，可使电池单体平均温度降低0.8°C，最高温度降低2.4°C。此外，研究发现随着入口气流速度的增加，通道几何形状对冷却效能的影响更为显著。Chen等[28]通过数值模拟与实验测试，探究了9种进出风口分布形式的风冷式电池热管理系统（BTMS）的热性能，并提出一种优化的气流排布策略以强化热管理。其结果表明，与传统Z型构型相比，优化后的风冷BTMS获得了最佳冷却性能，实现了4℃的温降。电池单体最高温度降低5K，温差减小7.7K。Liu等与Chen等[29]通过数值模拟研究了一种由传统U型与Z型布局演变而来的新型J型构型。结果表明，在测试的分布模式中，优化后的J型风冷BTMS气流模式具有最佳热性能，且通过交替控制U型与Z型BTMS工作模式可显著提升温度均匀性。Wang等[30]采用数值方法评估了风冷通道内增设平行隔板对9种风冷BTMS冷却性能的影响。研究发现电池模组进出风口的相对位置会显著影响冷却效率与温度分布。此外，增加风冷BMTS中平行隔板数量虽可改善温度均匀性，但会导致模组压力损失增大。
为进一步提升风冷式电池热管理系统（BTMS）的热性能与温度均匀性，相关研究人员已探索了混合式风冷BTMS方案及在电芯表面增设强化传热的湍流发生器。例如，采用柔性挡板通道优化流场形态或集成垂直与螺旋翅片的结构设计，已被证实能有效提升冷却效率与温度均匀性[31][32]。Padalkar等[33]通过数值模拟与实验研究相结合的方式，对一种采用圆柱电池表面周向翅片设计的混合风冷式电池热管理系统（BTMS）进行了热性能分析。研究结果表明，在电池表面增设周向翅片可在不增加辅助能耗、不牺牲电池包系统紧凑性的前提下显著提升冷却效率。配置三组周向翅片的方案使冷却性能提升幅度最高达18。71%（入口风速为2 m/s时），而风冷式BTMS的重量增幅仅为3.58%。除探究风冷系统冷却结构的影响外，部分研究聚焦于空气流速与入口空气温度对风冷式BTMS热性能的作用机制。Yang等学者[34]通过数值模拟研究了六边形冷却板结构的散热性能，发现入口空气流速对电池组的最高温度具有显著影响，而温度均匀性对环境温度和放电电流更为敏感。Hong等人[35]采用CFD模拟方法，探讨了入口空气温度与生热速率对电池组热性能的影响。其研究结果表明：电池组的温升与温差均与生热速率呈正相关，且气流出口位置对电芯热性能具有重要影响。
如上所述，现有研究主要集中于实验室工况下采用各类空气冷却BTMS的小型电池模块的冷却性能。针对商用大型电池包在冷却/加热工况下的流动与热性能，以及在混合动力汽车(HEV)或电动汽车(EV)实际运行工况（如广泛采用的世界轻型汽车测试循环WLTC）中的表现，公开文献中鲜有系统性的研究与探讨。需特别指出的是，低温环境下电池包的加热性能在实际工程应用中同样具有重要价值。
因此，本研究通过实验测试和数值模拟，研究大型商用电池组在冷却与加热工况以及WLTC真实行驶循环工况下的流动与热性能表现。具体而言，针对电池组的不同代表性气流配置方案，从冷却效率、温度均匀性和功耗三个维度进行了对比分析。采用优化的气流配置方案，进一步分析电池包在不同风速和进气温度下的冷却与加热工况热性能，涵盖混合动力汽车（HEVs）全实际应用范围。最终，所选电池包气流配置方案在WLTC真实驾驶循环工况下进行实验验证。本文研究成果可为混合动力汽车空冷电池热管理系统（BTMS）的实际工程应用设计与控制策略开发提供实用指导。
